Quá trình cháy nhiên liệu thực chất là quá trình phản ứng hoá học của nhiên liệu với ôxy, trong đó nhiên liệu là chất khử và ôxy là chất ôxy hoá. Nhiên liệu có thể là khí tự nhiên, dầu hoặc than, gỗ v.v . Đa số các tr… ờng hợp, phản ứng cháy đợc xảy ra ở thể khí và ngọn lửa, ở đây là ngọn lửa khuếch tán bởi pha khí. Đối với các nhiên liệu rắn và lỏng, đồng thời với phản ứng cháy còn có các phản ứng phân huỷ, chng cất v.v…
Quá trình cháy thờng kèm theo sự phát sáng (ngọn lửa), đó là do các phản ứng cháy đã tạo ra các sản phẩm trung gian và hiện tợng này gọi là “phát sáng hoá học”. Quá trình cháy cũng kèm theo hiện tợng ion hoá.
Khi hỗn hợp nhiên liệu và không khí đủ, tuỳ theo điều kiện nhiệt độ, áp suất, thành phần mà khởi đầu là quá trình ôxy hoá chậm (cháy chậm) và sau đó là cháy bùng hay nổ hoặc là tự bắt cháy. Nếu hỗn hợp nhiên liệu và ôxy hoặc không khí đợc trộn sơ bộ thật tốt thì đợc gọi là “ngọn lửa trộn trớc”, ngợc lại sẽ có hiện tợng khuếch tán các chất phản ứng và ta có “ngọn lửa khuếch tán”. Tuỳ theo bản chất của hỗn hợp và những điều kiện cháy (nhiệt độ,
áp suất, thành phần v.v ) mà ngọn lửa có thể bắt cháy với tốc độ d… ới tốc độ âm thanh
hoặc trên tốc độ âm thanh. Quá trình cháy có thể thực hiện ở hỗn hợp chảy dòng hoặc chảy xoáy, trong những điều kiện này tốc độ lan truyền quá trình cháy rất khác nhau. Trong lò quay xi măng, quá trình cháy đợc thực hiện ở chế độ chảy xoáy.
Về phơng diện nhiệt động học, quá trình cháy là một phản ứng ôxy hoá - khử kèm theo sự toả nhiệt.
Ví dụ: Đối với các hợp chất cacbua hydro CnHm
CnHm + (n +m/4)(O2 + 3,76N2 nCO2 + m/2 H2O + (n + m/4) 3,76 N2 + Q
Q là lợng nhiệt giải phóng bởi 1 mol nhiên liệu cháy và gọi là nhiệt cháy (cal/mol hoặc kcal/mol)
Khi than cháy C, H và lu huỳnh S tham gia các phản ứng sau:
+ Phản ứng cháy các bon: C + O2 = CO2 + 97600 cal hoặc: 1kg C + 2,666kg O2 = 3,666 CO2 + 8.100 kcal
Nếu không đủ ôxy thì khi cháy các bon tách ra monoxít các bon theo phơng trình: C +
2 1
O2 = CO
hoặc : 1kg C + 1,33kg O2 = 2,33kg CO + 2100kcal
Nh vậy nhiệt lợng sẽ giảm xuống 8100 - 2100 = 5700 kcal/kg các bon. Điều này cho thấy là phải cấp d không khí để đảm bảo cho nhiên liệu cháy hết.
+ Phản ứng cháy hyđrô : 2H2 + O2 = 2 H2O
Hoặc 1kg H2 + 8kg O2 = 9kg H2O + 28611 kcal Khi hơi nớc ngng tụ toả ra nhiệt lợng Hn= 33192 kcal
+ Phản ứng cháy lu huỳnh : S + O2 = SO2
Hoặc 1kg S + 1kg O2 = 2kg SO2 + 2210 kcal
Trong khoảng nhiệt độ từ 100 - 12000C có 1-5% SO2 bị ô xi hoá thành SO3
SO2 + 1/2 O2 = SO3
Hoặc 1kg SO2 + 0,95 kg O2 = 1,25 kg SO3
Trong quá trình cháy đoạn nhiệt, tất cả nhiệt cháy đợc tích tụ trong sản phẩm cháy nh là tỷ nhiệt: Q = ∫T1T2 Cp(sản phẩm).dT, tức là sản phẩm cháy có tỷ nhiệt riêng Cp (cal/mol) đợc nâng từ nhiệt độ đầu T1 lên nhiệt độ cuối T2 (T2 = 2000 – 3000oC).
Trong thực tế, quá trình cháy không bao giờ đoạn nhiệt hoàn toàn vì thế nào cũng có tổn thất mà trong tính toán cha kể đến. Ngoài ra, nhiệt độ của sản phẩm cháy cũng cha phải nằm trong cân bằng nhiệt động hoàn toàn.
Quá trình cháy phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, ở nhiệt độ, áp suất ban đầu đã cho, giá trị nhiệt độ cháy (T2) phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu và chất ôxy hoá cũng nh thành phần của hỗn hợp. Khi pha loãng hỗn hợp cháy sẽ hạ nhiệt độ cháy còn nếu tăng áp suất và nhiệt độ ban đầu (T1) thì sẽ tăng nhiệt độ cháy (T2).